Melatonin fra mikroorganismer, alger og planter som mulige alternativer til syntetisk melatonin del 1

Abstrakt: Melatonin kosttilskudd er mye konsumert over hele verden, med utviklede land som de største forbrukerne, med en estimert årlig vekstrate på omtrent 10 prosent frem til 2027, hovedsakelig i utviklingsland. Den brede bruken av melatonin mot søvnforstyrrelser og spesielle problemer, som jetlag, har blitt lagt til andre applikasjoner, som anti-aldring, anti-stress, immunsystemaktivering, antikreft og andre, som har utløst bruken, generelt uten resept. Den kjemiske industrien dekker i dag 100 prosent av behovene til melatoninmarkedet. Motivert av sektorer med mer naturlige forbruksvaner, oppsto muligheten for å få melatonin fra planter, kalt fytomelatonin, for noen år siden. Nylig har den farmasøytiske industrien utviklet genmodifiserte mikroorganismer hvis evne til å produsere naturlig melatonin i bioreaktorer er forbedret. Denne artikkelen gjennomgår aspektene ved den kjemiske og biologiske syntesen av melatonin til konsum, hovedsakelig som et kosttilskudd. Fordeler og ulemper med å få melatonin fra mikroorganismer og fytomelatonin fra planter og alger analyseres, samt fordelene med naturlig melatonin, og unngår uønskede kjemiske biprodukter fra den kjemiske syntesen av melatonin. Til slutt analyseres disse nye produktenes økonomiske og kvalitetsmessige aspekter, hvorav noen allerede er markedsført.

Glykosid av cistanche kan også øke aktiviteten til SOD i hjerte- og levervev, og redusere innholdet av lipofuscin og MDA i hvert vev betydelig, effektivt rense ulike reaktive oksygenradikaler (OH-, H₂O₂, etc.) og beskytte mot DNA-skader forårsaket av OH-radikaler. Cistanche-fenyletanoidglykosider har en sterk renseevne for frie radikaler, en høyere reduserende evne enn vitamin C, forbedrer aktiviteten til SOD i sædsuspensjon, reduserer innholdet av MDA og har en viss beskyttende effekt på sædmembranfunksjonen. Cistanche-polysakkarider kan øke aktiviteten til SOD og GSH-Px i erytrocytter og lungevev hos eksperimentelt senescent mus forårsaket av D-galaktose, samt redusere innholdet av MDA og kollagen i lunge og plasma, og øke innholdet av elastin, har en god rensende effekt på DPPH, forlenger hypoksitiden hos eldre mus, forbedrer aktiviteten til SOD i serum og forsinker den fysiologiske degenerasjonen av lunge hos eksperimentelt eldre mus. Med cellulær morfologisk degenerasjon har eksperimenter vist at Cistanche har den gode antioksidantevnen og har potensial til å være et medikament for å forebygge og behandle aldringssykdommer. Samtidig har echinacoside i Cistanche en betydelig evne til å rense DPPH-frie radikaler og kan rense reaktive oksygenarter, forhindre frie radikal-indusert kollagennedbrytning, og har også en god reparasjonseffekt på anionskader av tymin frie radikaler.

Klikk på Cistanche Side Effects Reddit

【For mer informasjon: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Nøkkelord: kosttilskudd; GMO; melatonin; mikroorganismer; fytomelatonin; planteråstoff

1. Introduksjon

Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is widely used around the world as a  dietary supplement. In general, melatonin is used as a sleep aid supplement, a mild tranquilizer, a generalist antioxidant, and an anticancer and anti-aging component, among others [1]. According to the American Psychiatric Association (APA), approximately one-third of adults suffer from insomnia during their lifetime [2]. It manifests itself in ongoing problems falling asleep and staying asleep. Therefore, it is very likely that the use of synthetic melatonin will spread. In 2019, the global production of synthetic melatonin,  which was around 4000 tons, accounted for around 1.3 billion USD. This vast market is fully assisted by the chemical melatonin, whose synthesis process is very cheap, effective, and,  therefore, lucrative. The melatonin market is expected to grow at a CAGR (compound annual growth rate) of >10 prosent i løpet av de neste 5 årene. Med denne betydelige økningen i etterspørselen har søvnløshetsproblemene generert av COVID-19-pandemien vært av stor relevans [3]. Nord-Amerika har det desidert høyeste forbruket, fulgt av Europa. Det globale melatoninmarkedet kontrolleres hovedsakelig av noen få store selskaper, som BASF, Aspen Pharmacare Australia, Nature's Bounty, Pfizer Inc., Natrol LLC, Aurobindo Pharma og Biotics Research Co. Merk at forbruket av melatonin til medisinske formål innebærer ca. 50 prosent av det syntetiske melatoninet som produseres; resten har kjemiske og industrielle anvendelser [2,4].

Biologisk er melatonin et molekyl som er vidt distribuert i alle riker av levende organismer [5]. Oppdaget i 1958 i pinealkjertelen til en ku [6] og senere hos mennesker [7], er det et av de mest studerte biomolekylene, og dets mange funksjoner er kjent, hovedsakelig hos pattedyr [8,9], men også i fisk [10–12], fjærfe [13,14] og virvelløse dyr [15]. I dyre- og menneskeceller fungerer melatonin som en antioksidant – en relevant rolle som ble tilskrevet det i 1993 [16–18]. Melatonin fungerer som en interessant cellebeskytter i stressende situasjoner, i ulike fysiologiske aspekter hos mennesker, og, ifølge flere studier, fordeler det en forbedring av forskjellige sykdommer og dysfunksjoner. Figur 1 viser noen av de beskyttende og regulatoriske virkningene til melatonin hos mennesker og presenterer melatonin som et interessant pleiotropisk molekyl, som skiller seg ut på grunn av dets relevans, rollen til melatonin i reguleringen av lipid- og glukosemetabolismen, induserer nattlig insulinresistens og daglig insulinresistens. følsomhet. Denne effekten ser ut til å være assosiert med nattlig faste og daglig fôring, og forhindrer overdreven vektøkning [19]. Vi fremhever også dens rolle som et anti-onkogent middel, som hemmer vekst, spredning og metastasering av flere svulster. Behandlingen av svulster med melatonin forbedret cellegift- og strålebehandlingsfølsomheten, og fungerte som et synergistisk molekyl i kontrollen av kreftceller. I tillegg reduserer melatonin akutt skade på normale celler, og beskytter dem mot legemiddeltoksisitet, muligens ved å forbedre immunresponsen [20–22]. Blant funksjonssviktene og sykdommene hvor de gunstige effektene av melatonin har blitt studert er nevrologiske, som Alzheimers, Parkinsons, fibromyalgi, depresjon, oppmerksomhetssvikt hyperaktivitetsforstyrrelse, autisme og migrene; kardiovaskulære helseproblemer, inkludert hyperkolesterolemi, hypertensjon, metabolsk syndrom og glykemisk ubalanse; gastrointestinale helseproblemer, slik som gastroøsofageal refluks, magesår og irritabel tarm-syndrom; immunologiske helseproblemer, som multippel sklerose, autoimmune responser (atletisk stress, toksisk stress, psoriasis, etc.), sepsis, COVID-19 osv. [3,23–26]; og også osteopeni [27], sarkopeni [28], preeklampsi, fertilitet, polycystisk ovariesyndrom og overgangsalder, blant andre [29–32]. Men selv om melatonin er et molekyl som har blitt mye studert siden 1950-tallet, krever studiene som er utført mer kliniske og omfattende dobbeltblinde forsøk for å klargjøre den til tider forvirrende pleiotropiske virkningen [33,34].

Melatonin er imidlertid kjent for å være hormonet som regulerer søvnen. Dens oscillerende nivåer i blodstrømmen i henhold til periodene med lys og mørke (døgnrytme) på grunn av frigjøring av melatonin fra pinealkjertelen er en av de mest studerte og kjente aspektene ved dette molekylet. Økningen i blodmelatoninnivået i løpet av den første søvnperioden til rundt 150–220 poler/ml virker på søvninitiering, reduserer søvnlatens og fragmentering og øker søvnvarighet og kvalitet [1,35,36]. Melatonin fungerer som en intern synkronisering av døgnrytmen mellom søvn og våkenhet og sesongmessig rytme. I denne forstand har mange søvnforstyrrelser blitt behandlet med melatonin, inkludert forsinket søvnfasesyndrom, søvnforstyrrelse på nattskiftarbeid, sesongavhengig affektiv lidelse, søvnforstyrrelser hos blinde og aldrende, og patofysiologiske lidelser hos barn, med bemerkelsesverdige forbedringer i søvnkvalitet [ 37–41]. Den mest utbredte lidelsen som behandles med melatonin er jetlag – en de-fasing i søvn-våkne-rytmer etter trans-oseaniske flyvninger [42–45]. Muligens har vektleggingen i studier på dens rolle som søvnregulator forårsaket mangel på studier på dens mulige rolle i mange andre fysiologiske og kliniske aspekter.

Melatonin i planter, såkalt fytomelatonin, ble oppdaget samtidig av tre forskningsgrupper i mangfoldig plantemateriale i 1995 [46–48]. Begrepet fytomelatonin, som refererer til melatonin av vegetabilsk opprinnelse (planter og alger), brukes for å skille det fra animalsk og/eller syntetisk melatonin. Dette begrepet er svært utbredt og brukes kontinuerlig i studier av fytokjemi, plantefysiologi, botanikk, matkjemi, etc., på plantemelatonin. I planter er fytomelatonin også et pleiotropisk molekyl, som presenterer flere roller i forskjellige fysiologiske responser (figur 1). Melatoninets regulering av aspekter som fotosyntese, inkludert stomatalt CO2-opptak og vannøkonomi, karbohydrat-, lipid-, nitrogen- og svovelmetabolisme, og enkel fenol-, flavonoid- og terpenoidmetabolisme, har vist avgjørende interesse for de grunnleggende og tekniske prosessene ved vegetativ (spiring, plantevekst, forankring, forgrening, etc.) og reproduktiv utvikling, inkludert fruktbarhet, partenokarpi, frø- og fruktutvikling, modning, alderdom og bevaring av frukt og snittblomster [49–53]. Vanligvis regulerer melatonin disse prosessene gjennom virkningen av plantehormonnettverket, opp/nedregulerer flere biosyntese-, kataboliske og transkripsjonsfaktorer som er plantehormonrelaterte [54–56]. Et av aspektene av størst agronomisk og bioteknologisk interesse er rollen til fytomelatonin som en promoter for toleranse mot biotiske og abiotiske påkjenninger [57–68] (Figur 1). For tiden presenteres fytomelatonin som et interessant miljøvennlig verktøy for å kontrollere biologiske sykdommer og for å lette resistens/tilpasning av planter til/mot klimaendringer.

2. Biosyntese av Melatonin

Melatonin er en acetylert forbindelse avledet fra serotonin. Begge indoliske aminer syntetiseres fra aminosyren tryptofan i en biosyntetisk vei som har blitt grundig studert i både dyr og planter [69,70]. I planter omdannes tryptofan til tryptamin av enzymet tryptofan dekarboksylase (TDC) (Figur 2). Tryptamin blir deretter omdannet til 5-hydroksytryptamin (serotonin) av tryptamin 5-hydroksylase (T5H), et enzym som har blitt grundig studert i ris, og som kan virke med mange substrater, selv om dette ikke er studert i dybden. Serotonin er N-acetylert av serotonin N-acetyltransferase (SNAT). N-acetylserotonin metyleres deretter av acetylserotonin-metyltransferase (ASMT) - en hydroksyindol-O-metyltransferase - som genererer melatonin. I planter kan metyleringen av N-acetylserotonin også utføres av koffeinsyre O-metyltransferase (COMT), en klasse enzymer som kan virke på en rekke substrater, inkludert koffeinsyre og quercetin [71]. Serotonin kan også transformeres til 5-metoksytryptamin av ASMT/COMT for å generere melatonin etter virkningen av SNAT. Denne ruten vil forekomme i alderdoms- og/eller stresssituasjoner [70,72]. Videre kan melatonin genereres gjennom dannelsen av N-acetyltryptamin av SNAT, som ville bli omdannet til N-acetylserotonin av T5H [73], selv om denne ruten ikke har blitt demonstrert, muligens fordi T5H er det minst studerte enzymet i veien (Figur 2). Interessant nok er det identifisert opptil fire gener som koder for histon-deacetylaser (DAC) i risplanter som kan reversere trinnene fra serotonin til N-acetylserotonin og fra 5-metoksytryptamin til melatonin. DAC, uttrykt i kloroplasten, viste enzymaktivitet mot N-acetylserotonin, N-acetyltryptamin og melatonin, med den høyeste deacetylaseaktiviteten for N-acetyltyramin [74].

I dyreceller dannes serotonin fra 5-hydroksytryptofan etter den sekvensielle virkningen av tryptofanhydroksylase (TPH) og TDC. Selv om TPH ikke har blitt påvist i planter, antydet tilstedeværelsen av 5-hydroksytryptofan at noe enzymatisk aktivitet, slik som TPH, virker i mindre grad i planteceller. Dessuten kan melatonin genereres gjennom dannelsen av 5-metoksytryptamin, hovedsakelig under stressforhold som foreslått av flere forfattere, noe som tyder på at melatoninbiosynteseveien kan følge ulike alternative ruter sammenlignet med dyreceller, med større evne til å tilpasse seg til metabolske endringer i planter [72,75]. Alle de navngitte enzymene er påvist og karakterisert i ris og Arabidopsis, bortsett fra TPH, som er velkjent hos dyr, men ikke i planter. Likevel har noen forfattere foreslått at T5H kan fungere som en hydroksylase med lav substratspesifisitet og er i stand til å virke i alle hydroksyleringstrinnene beskrevet [70,76–79]. Den samme brede substratspesifisiteten kan også tilskrives SNAT-, ASMT- og COMT-enzymer. Melatonin-mellomprodukter produseres i ulike subcellulære rom, slik som cytoplasma, endoplasmatisk retikulum, mitokondrier og kloroplaster, som bestemmer de påfølgende enzymatiske trinnene [80,81].

I mikroorganismer er det få studier på melatoninbiosynteseveien [82]. Saccharomyces og bakterier (Geobacillus, Bacillus og Pseudomonas) produserte både serotonin og melatonin i forskjellige konsentrasjoner [83–89]. Dessuten ble produksjonen av melatonin dokumentert av andre forfattere i kulturene av gjærsoppene Pichia kluyveri, Saccharomyces cerevisiae og S. uvarum og bakterier (Agrobacterium, Pseudomonas, Variovorax, Bacillus og Oenococcus) [85,90,91] i de fotosyntetiske bakteriene Rhodospirillum rubrum [92] og Erythrobacter longus [93] og Escherichia coli [94].

I gjæren Saccharomyces cerevisiae, i motsetning til hos planter og dyr, ser det ut til at biosyntesen av 5-hydroksytryptofan fra tryptofan ikke forekommer. Interessant nok ser flere av de beskrevne stadiene ut til å være reversible i S. cerevisiae, slik som mellom 5-hydroksytryptofan og serotonin, N-acetylserotonin og melatonin, og 5-metoksytryptamin og melatonin [90,95], som beskrevet i figur 2. I Bacillus amyloliquefaciens SB-9 og Pseudomonas fluorescens RG11, 5- hydroksytryptofan, serotonin og N-acetylserotonin, men ingen tryptamin ble påvist [85,86]. Så flere gener av bakteriell opprinnelse ble brukt til å bygge en melatoninproduserende Escherichia coli-stamme. For eksempel ble DDC-genet, som koder for en aromatisk L-aminosyredekarboksylase fra Candidatus Koribacter allsidig Ellin 345 og Draconibacterium orientale, og AANAT-genet, som koder for en alkylamin N-acetyltransferase fra Streptomyces griseofuscus, analysert [96,97]. Det er utvilsomt behov for ytterligere studier for å belyse de komplette biosyntetiske veiene til melatonin i forskjellige prokaryote og eukaryote mikrober [82].

3. Biologisk Melatonin versus Syntetisk Melatonin

Til å begynne med ble melatonin oppnådd for eksperimentelle og kliniske studier fra dyrekilder (hovedsakelig fra pinealkjertelen og urin), med påfølgende risiko for virusoverføring [98,99]. Disse teknikkene ble trukket tilbake når melatonin kunne oppnås ved kjemisk syntese [100]. For tiden oppnås alt melatonin som brukes til industrielle og medisinske formål ved å bruke kjemiske syntesemetoder. Disse metodene, som ga alvorlige problemer på 1980-tallet, inkludert dødsfall på grunn av tilstedeværelsen av biprodukter fra syntese fra tryptofan [101], er mye tryggere og mer effektive i dag. Melatoninpreparater har imidlertid beskrevet tilstedeværelsen av et helt sett med uønskede biprodukter på grunn av deres giftige natur. Figur 3 viser tre av de mest brukte kjemiske synteserutene for melatonin og biproduktene som genereres i syntesen [102]. Syntesen av melatonin fra tryptofanderivater (figur 3, skjema A) genererer giftige biprodukter som noen ganger har forårsaket betydelige sykdommer, slik som eosinofili-myalgisyndrom [101,103,104], mens de mest aktuelle metodene (figur 3, skjema B) for syntese av melatonin fra ftalimid [105] reiser viktig tvil om toksisiteten til flere av biproduktene som genereres [106]. I tillegg presenterer Fischer-indolreaksjoner fra allylamin (figur 3, skjema C) farlige og giftige reaktanter [107].

På den annen side presenteres innhenting av melatonin fra ikke-animalske biologiske kilder som en sterk forpliktelse til fremtiden, ikke for å erstatte syntetisk melatonin, men for å være en mer naturlig komplementær og alternativ kilde [108].

4. Strategier for å få biologisk melatonin

Melatonin er tilstede i alle kjente biologiske arter, fra prokaryoter til eukaryoter, inkludert gjær, alger, sopp og planter, så vel som dyr [80,109–111]. Nedenfor presenteres metodikkene utviklet i mikroorganismer og planter som mulige kilder til naturlig melatonin.

4.1. Melatonin fra mikroorganismer

en. Saccharomyces

Den første tilnærmingen til produksjon av biologisk melatonin har nylig blitt laget av en gruppe av det danske farmasøytiske selskapet Novo Nordisk ved bruk av genmodifisert Saccharomyces cerevisiae (tabell 1, produkt #1). Germann og medarbeidere konstruerte en rekombinant melatoninvei i en gjærstamme som inneholdt heterologe gener som koder for flere melatoninbiosynteseenzymer og kofaktorstøttende veier [112]. Den transgene gjæren kodifiserte forskjellige gener fra Rattus norvegicus, Lactobacillus ruminis, Pseudomonas aeruginosa, Homo sapiens, Schistosoma mansoni, Bos Taurus og Salmonella enterica. Ved å fôre gjær kun med glukose og acetyl Co-A, nådde melatoninproduksjonen 14,5 mg·L -1 ved 76 timer. Likevel, ifølge andre forfattere, må noen problemer, som høy N-acetylserotonin-akkumulering i gjærceller, ubalansert genuttrykk og identifisering av noen potensielle giftige mellomprodukter, tas opp [113].

b. Escherichia coli

I en andre tilnærming, denne gangen ved bruk av en transgen-modifisert Escherichia coli-kultur (tabell 1, produkt #2), rapporterte Novo Nordisk den biologiske melatoninproduksjonen fra en heterolog stamme konstruert fra rekombinant E. coli, inkludert flere gener som TDC-genet fra Candidatus Koribacter allsidig, SNAT-genet fra Streptomyces griseofuscus, og det humane ASMT-genet. I tillegg ble noen tryptofan-relaterte gener blokkert eller slettet for å forhindre uønsket undertrykkelse, nedbrytning og eksporttransport [96,97]. Etter flere belastningsforbedringer og fôring med mineralsalter, vitaminer og antibiotika, genererte de dyrkede cellene melatonin ved ~1 g·L -1 ved bruk av glukose som eneste karbonkilde og opptil 2 g·L -1 i tryptofan-matede celler, med ubetydelige nivåer av biprodukter. Derfor kan disse GMO E. coli-stammene ifølge forfatterne være grunnlaget for fremtidig biologisk kommersiell melatoninproduksjon ved bruk av mikrobielle cellefabrikker. Likevel kan bruken av transgene organismer for å produsere stoffer til konsum være problematisk når målet er å bringe et naturprodukt til en sensibilisert forbruker eller anti-GMO-forbruker.

c. Melkesyrebakterier

Melatonin ble også produsert industrielt ved mikrobiell fermentering, som rapportert i [114]. Melatoninbiosyntesen ble styrt av multi-stamme melkesyrebakterier, slik som Lactobacillus sp. (L. brevis, acidophilus, bulgaricus, casei underart. sake, fermentum, helveticus subspec. jogorti, plantarum); Bifidobacterium sp. (B. breve spp. breve, longum spp. infantis); Enterococcus sp. (E. faecalis TH10); og Streptococcus thermophilus. Produktene produsert under denne teknologien markedsføres av Quantum Nutrition Labs (Texas, USA) som Melatonin Drops, Qultured™, som inneholder 8 mg gjærmelatonin (tabell 1, produkt #3).

d. Chlorella

Et produkt laget av alger er Herbatonin® (tabell 1, produkt #4), formulert i piller som inneholder 0.3 eller 3 mg fytomelatonin, selv om det i Europa markedsføres i doser på 0.3 og 1,9 mg, i henhold til EU-lover. Denne formuleringen inneholder flere plantearter som ris (Oryza sativa L.) og alfalfa (Medicago sativa L.), sammen med grønnalgen Chlorella pyrenoidosa og C. vulgaris. Våre data viser at disse mikroalgene ikke inneholdt mer enn 2–15 ng·g DW−1 [115], og følgeplanteartene inneholder svært lave nivåer av fytomelatonin, 1–5 ng·g−1 i ris og 16 ng·g −1 i alfalfa [116]. Tilstedeværelsen av Chlorella antyder at fytomelatonin hovedsakelig oppnås ved å dyrke grønnalgene i bioreaktorer, muligens matet med forløpere som tryptofan, på en lignende måte som i Achillea millefolium [117], selv om det ikke er publiserte data om metoden for oppnå disse fytomelatoninrike ekstraktene, bare deres biokjemiske karakterisering [118]. Det er heller ingen data om kontroll av tilstedeværelsen av cyanotoksiner i disse ekstraktene på grunn av mulig forurensning av cyanobakterier (blågrønnalger). Disse cyanotoksinene har flere uønskede effekter relatert til blant annet kreftfremkallende, hepatotoksisitet og nevrotoksisitet. Dermed forsterker påvisningen av cyanotoksiner i noen algekosttilskudd behovet for bedre kvalitetskontroll [119,120].

【For mer informasjon: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】